JP5260597B2 - 内燃機関の燃料噴射装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射のための制御装置及びその制御方法、特に燃料噴射弁に高電圧を供給する複数の第１のエネルギー蓄積素子間で、バッテリ電圧でエネルギーを蓄積する第２のエネルギー蓄積素子を介して電気エネルギーを移動させる制御装置及びその制御方法に関する。

内燃機関の燃料噴射のための制御装置において、従来、インジェクタの電磁弁の応答を早くするために昇圧回路を用いてバッテリ電圧ＶＢを昇圧し、インジェクタの開弁時に昇圧回路で生成した高電圧を印加することが行われている。この従来技術において、昇圧された電荷を蓄電するものとして、例えばコンデンサが用いられている。

このコンデンサは、燃料噴射弁を開弁させるとき、電荷エネルギーを消費してその電圧が下がるので、このコンデンサに昇圧回路からの充電が開始される。この際に、燃料噴射弁を開弁させるのに十分な電荷エネルギーを蓄積する前に、次の噴射のタイミングが来た場合、インジェクタを全く開弁することができないか、または開弁できても作動が不良であって、インジェクタの流量の精度にばらつきが発生するという問題点があった。

これを解決するため、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、エネルギーを蓄電するコンデンサや昇圧回路を複数準備しておき、それを例えば交互に使用することが提案されている。

特開２００３−１６１１９３号公報 特開２０００−３４５８９８号公報

しかし、上記解決法においては、いずれか一つのコンデンサ電圧は、インジェクタ開弁時に規定の電圧に達している必要があり、また規定電圧に達しているということは当該コンデンサへの充電が終了していること、つまり当該コンデンサへの昇圧回路は停止状態となっていることが必要条件となっている。そのため、昇圧回路の能力は最も負荷がかかる時の状態に合わせた部品性能及び放熱性能が要求され、それがコストアップの要因となっていた。

本発明の解決課題は、複数の昇圧回路の利用効率を向上させ、個々の昇圧回路の能力及び部品性能を緩和し、昇圧動作による発熱を分散させることにより、コスト低減を行いつつ、インジェクタの開弁に必要な高電圧を確実に提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料噴射制御装置は、内燃機関の燃焼室内へ燃料を直接供給するための燃料噴射電磁弁を備えた燃料噴射装置に用いられる制御装置であって、前記燃料噴射電磁弁に高電圧を供給する複数の第１エネルギー蓄積素子と、バッテリ電圧を昇圧して前記第１エネルギー蓄積素子を充電する昇圧回路と、バッテリ電圧の電気エネルギーを蓄積する第２エネルギー蓄積素子と、を備えて、前記複数の第１エネルギー蓄積素子間において、前記の第２エネルギー蓄積素子を介して、電気エネルギーを移動する切替回路を備えたことを特徴とする。

本発明に係る燃料噴射制御装置によれば、複数の昇圧用エネルギー蓄積素子間において、電気エネルギーを移動することができるので、次回の燃料噴射に係る弁の開弁に必要な所望の高電圧を得ることができるので、燃料噴射弁を精確に作動させて安定した燃料供給を実現できると共に、昇圧回路の利用効率を向上させ、個々の昇圧回路の能力や部品性能を緩和し、かつ、昇圧動作による発熱を分散させること等により、コスト低減に寄与することができる。

燃料噴射制御装置の一つの実施形態である内燃機械のシステム概要。 従来技術による燃料噴射装置の回路図。 従来技術による燃料噴射装置における動作タイミングチャート。 従来技術による燃料噴射装置における、燃料噴射間隔が短い場合の動作タイミングチャート。 本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例１の回路図。 実施例１において、インジェクタ11を連続して通電する際の動作タイミングチャート。 本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例２の回路図。 本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例３の回路図。 本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例４の回路図。 実施例４の変形例の回路図。 実施例４（変形例を含む）における動作タイミングチャート。 昇圧用コンデンサのエネルギーを他方のコンデンサへ一時的に退避させる場合のタイミングチャート 本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例５の回路図。 本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例６の回路図。

図１は、燃料噴射制御装置の一つの実施形態である内燃機関のシステム概要を示す。エンジン101は、ピストン102、吸気弁103及び排気弁104を備えて、エンジン101の燃焼に必要な空気は、空気流量計（ＡＦＭ）120にて流量を測定された後、スロットル弁119により流量を調整され、コレクタ115、吸気管110、吸気弁103を介して、エンジン101の燃焼室121に供給される。

燃料は、低圧燃料ポンプ124によって燃料タンク123から内燃機関へと供給され、更に内燃機関に付属する高圧燃料ポンプ125によって、圧縮工程にある燃焼室121の圧力下でも燃料噴射が可能となる圧力まで高められる。

こうして高圧となった燃料は、燃料噴射弁105からエンジン101の燃焼室121へと細粒状に噴射され、点火コイル107からエネルギーを受けた点火プラグ106によって点火される。燃焼後の排気ガスは、排気弁104を介して排気管111に排出され、三元触媒112によって浄化される。

燃料噴射制御装置127を内蔵するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）109には、エンジン101のクランク角度センサ116の信号、ＡＦＭ120の空気量信号、燃料圧力センサ126の燃料圧力信号、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ113の信号、エンジンの冷却水温度センサ108の信号、及びアクセル開度センサ122のアクセル開度信号が入力される。

ＥＣＵ109は、アクセル開度センサ122の信号からエンジンへの要求トルクを算出すると共に、アイドル状態の判定等を行う。また、ＥＣＵ109は、クランク角度センサ116の信号からエンジン回転数を演算する回転数検出手段を備えている。また、ＥＣＵ109は、エンジン101に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度となるようスロットル弁119を制御し、更に必要燃料量を算出する。

燃料噴射制御装置127は、算出された必要燃料量と燃料の圧力に応じた所定の時間に燃料噴射弁105が燃料噴射を行うための電流を出力する。また、ＥＣＵ109は、点火プラグ106を最適なタイミングで点火させる点火信号を出力する。

排気管111とコレクタ115の間には、ＥＧＲ通路118が接続されている。ＥＧＲ通路118の途中にはＥＧＲ弁114が備えられ、その開度は、ＥＣＵ109によって制御され、排気管111の中の排気ガスが、必要に応じて吸気管110に還流される。

図２は、従来技術による燃料噴射装置の回路を示し、図３、図４は、従来技術におけるインジェクタ動作時のタイミングチャートを示す。

図２において、バッテリ1、昇圧コイルL11、昇圧用スイッチング素子T11、整流ダイオードD11及びD12を備えた昇圧回路において、昇圧用スイッチング素子T11のスイッチング操作によりバッテリ電圧VBが昇圧用コイルL11により昇圧され、昇圧用コンデンサC11及びC12に充電される。

インジェクタの応答性を高めるため、開弁時にはＦＥＴ(T21)及び(T22)をオンすることにより高電圧をインジェクタに供給し、その後ＦＥＴ(T31)及び(T32)をスイッチング操作して、インジェクタを定電流に制御することにより開弁状態を保持する。ＦＥＴ(T41)、(T42)、(T43)及び(T44)については、これらをオン・オフ操作して、複数あるインジェクタの中から通電するものを選択する。

複数あるインジェクタの中からインジェクタ11を駆動する時の動作について、図３を用いて説明する。

燃料制御ＣＰＵから出力されたインジェクタ駆動パルスに対して、所定の時間、開弁電流Ipeakを流すために、ＦＥＴ(T21)及び(T41)にゲート信号を与えると、インジェクタ11の両端に昇圧電圧が印加され、設定された開弁電流が流れるまでＦＥＴ(T21)はオンし続ける。開弁電流まで到達したことを、電流検出用抵抗R1の両端電圧により検知すると、その後はＦＥＴ(T31)をスイッチングすることにより、インジェクタ11の電流は設定された保持電流１(Ihold1)又は保持電流２(Ihold2)の電流にコントロールされる。

インジェクタへ高電圧を流すことで昇圧用コンデンサC11の電圧が低下するので、前記した昇圧用コイルL11、昇圧用スイッチング素子T11、整流ダイオードD11を備えた昇圧回路により、昇圧用コンデンサC11は所定の電圧まで昇圧される。

図４は、従来技術の燃料噴射制御装置において、燃料噴射間隔が短い場合でのタイミングチャートを示す。ここでは、最初の噴射では切替回路SW31をオンとして昇圧用コンデンサC11に蓄積されたエネルギーを使用し、次の噴射では切替回路SW32をオンすることで昇圧用コンデンサC12に蓄積されたエネルギーを使用している。

上記の従来技術の問題点としては、インジェクタを噴射する際には、前述の通り、いずれかのコンデンサの充電が終了している必要があった。

次に、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例について、説明する。

[実施例１]
図５は、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例１の回路図を示す。
実施例１の回路は、図５に示されたとおり、バッテリ1、昇圧用コイルL11、昇圧用スイッチング素子T11、ダイオードD11,D12を備えて、昇圧用スイッチング素子T11のスイッチング作動によりバッテリ電圧VBが昇圧コイルL11で昇圧され、ダイオードD11,D12で整流されて、コンデンサC11及びC12が充電される構成となっている。

実施例１の回路は、更に、エネルギー移動用コンデンサC20を備えて、その一方の電極は、切替回路SW01において、バッテリ電圧VBの電位の接点a、昇圧用コンデンサC11の充電側の電位の接点b、又はコンデンサC12の充電側の電位の接点cに接続し、もう一方の電極は、切替回路SW02において、昇圧用コンデンサC11の充電側の電位の接点a、昇圧用コンデンサC12の充電側の電位の接点b、又はGNDに接続された接点cに接続できるように構成されている。

図６は、図５に示された実施例１において、インジェクタ11を連続して通電する際の動作タイミングチャートを示す。

インジェクタ11への通電に応じて昇圧用コンデンサC11の電圧が低下して昇圧回路が動作状態となる。ここで、昇圧用コンデンサC11の電圧が開弁電流を供給する上で理想の電圧に復帰するまでに、次のインジェクタ噴射が発生する場合、昇圧用コンデンサC12に蓄積されたエネルギーの一部を、エネルギー移動用コンデンサC20を介して昇圧用コンデンサC11へ移動させる。

具体的にはエネルギー移動用コンデンサC20の両端に配置された二つの切替回路SW01及びSW02について、切替回路SW01をa接点に、切替回路SW02をc接点に設定し、エネルギー移動用コンデンサC20にバッテリ電圧VBを事前に充電しておき、昇圧用コンデンサC12のエネルギーを昇圧用コンデンサC11に移す際には、切替回路SW01をb接点、切替回路SW02をb接点に設定すると、エネルギーは瞬時に移動する。移動するエネルギー量は、三つのコンデンサC11, C12, C20の静電容量及び電荷量によって決まる。

本発明の重要な特徴として、例えば昇圧用コンデンサC12の電圧が昇圧途中で、開弁電流供給に必要な理想電圧に達していない場合においても、昇圧用コンデンサC11の電圧がエネルギー移動用コンデンサC20及び昇圧用コンデンサC12の電圧の和よりも低い場合に、つまり昇圧用コンデンサC12の電圧が昇圧用コンデンサC11よりバッテリ電圧VB分低下するまで、二つの切替回路SW01及びSW02の操作により、昇圧用コンデンサC11から昇圧用コンデンサC12へのエネルギーの移動が可能であり、かつ、エネルギーの移動を瞬時に行なうことができるので、上記の一連の動作を繰り返すことにより、所望の電圧まで昇圧する制御が可能である。

また、エネルギーの移動は上記の場合に限定されるものではなく、昇圧用コンデンサC11から昇圧用コンデンサC12の方向へエネルギーを移動する場合には、まず、切替回路SW01をa接点、切替回路SW02をc接点に設定してエネルギー移動用コンデンサC20をバッテリ電圧VBで充電した後、切替回路SW01をc接点、切替回路SW02をa接点に設定することで実現可能となる。

[実施例２]
図７は、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例２の回路図を示す。この実施例２は、図５に示された実施例１のエネルギー移動用コンデンサC20を二つのコンデンサC21及びC22に分割し、同じく切替回路SW01及び切替回路SW02を、ダイオードD21, D22, D31, D32及び切替回路SW11, SW21, SW12, SW22 により置き換えた回路である。

ここでは、昇圧用コンデンサC11から昇圧用コンデンサC12にエネルギーを移動させる場合には、まず、切替回路SW21をオンし、バッテリ電圧VBを、ダイオードD21を介してエネルギー移動用コンデンサC21に導いて充電する。次に、切替回路SW21をオフにして切替回路SW11をオンにすると、昇圧用コンデンサC11の電圧がエネルギー移動用コンデンサC21に導かれて充電され、その昇圧した分の電圧がダイオードD31を介して昇圧用コンデンサC12の電圧を押し上げる。

これに対し、昇圧用コンデンサC12から昇圧用コンデンサC11にエネルギーを移動させる場合には、まず、切替回路SW22をオンし、バッテリ電圧VBを、ダイオードD22を介してコンデンサC22に導いて充電する。次に、切替回路SW22をオフにして切替回路SW12をオンにすると、昇圧用コンデンサC12の電圧がエネルギー移動用コンデンサC22に導かれて充電され、その昇圧した分の電圧が、ダイオードD32を介して昇圧用コンデンサC11の電圧を押し上げる。

実施例２では、以上のようにして、二つの昇圧用コンデンサC11, C12の間のエネルギーの移動を瞬時に行なうことができるので、上記の一連の動作を繰り返すことにより、所望の電圧まで昇圧する制御が可能である。

[実施例３]
図８は、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例３の回路図を示す。実施例３では、二つの昇圧用コンデンサC11及びC12に対応して、それぞれに昇圧回路を設けた例である。

例えば、図２に示す従来の燃料噴射制御装置において、二つの昇圧用コンデンサC11及びC12に対応して、それぞれに昇圧回路を設ける場合、片側のコンデンサの充電が終了すると対応する昇圧回路も休止することになるが、本発明の実施例３では、昇圧用コンデンサC11及びC12の間でエネルギーを移動することにより、双方の昇圧回路を同時に動作させることが可能となるため、昇圧回路の利用効率が向上する。

[実施例４]
図９は、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例４の回路図を示す。実施例４では、昇圧用コンデンサC11及びC12の間で、電気エネルギーをエネルギー移動用コンデンサC21又はC22を介して移動させる際に、抵抗R11又はR12を通すことにより、これらの抵抗の大きさとコンデンサの容量から決まる時定数により、エネルギーの移動が、瞬間的にはではなく、一定の時間がかかるようにした例である。実施例４では、昇圧用コンデンサ間のエネルギーの移動量を、切替手段SW01及びSW12をオンする時間で制御することが可能となる。

また、昇圧用コンデンサC11及びC12の電圧のモニタ手段（図示省略）を設けて、コンデンサが所望の電圧となったとき、切替手段SW01及びSW12のスイッチング状態を変化させることも可能である。

図１０は、本発明に係る実施例４の変形例の回路図を示す。この変形例では、実施例４と同じように、昇圧用コンデンサC11及びC12の間で、電気エネルギーをエネルギー移動用コンデンサC21又はC22を介して移動させる際に、抵抗R11又はR12を通すものであるが、抵抗の位置が異なる例である。

図１１は、図９及び図１０に示した実施例４（変形例を含む）における動作タイミングチャートであって、インジェクタ11への通電により、昇圧用コンデンサC11の電圧が低下し、次の噴射のために昇圧用コンデンサC12から電気エネルギーを昇圧用コンデンサC11へ、エネルギー移動用コンデンサC22を介して移動させる場合のものである。

まず、切替回路SW22をオンに設定し、エネルギー移動用コンデンサC22をバッテリ電圧VBで充電を行い、その後、切替回路SW22をオフにして切替回路SW12をオンにすることで、昇圧用コンデンサC12の電気エネルギーを昇圧用コンデンサC11へ移動させているが、エネルギー移動用コンデンサC22の放電経路に設けた抵抗R12（図９参照）、又は昇圧用コンデンサC12によるエネルギー移動用コンデンサC22の充電経路に設けた抵抗R12(図１０参照)により、エネルギーの移動に一定の時間を要するので、昇圧用コンデンサC11及びC12の電圧をモニタすることにより、目的の電圧になった時点で切替回路SW12をオフにすることが可能となる。

また、本発明によると、昇圧用コンデンサのエネルギーを任意に移動することができるため、昇圧用コンデンサの昇圧電圧を、燃料噴射弁の開弁に望まれる電圧である開弁電流供給理想電圧よりも高くすることで、昇圧回路全体のエネルギーを、従来方式よりも高く保つことができる。また、燃料噴射前に、噴射に使用する昇圧用コンデンサのエネルギーを他方のコンデンサへ一時的に退避させて、開弁電流供給理想電圧に調整を行い、インジェクタ噴射後に戻す動作を行なうことにより、過渡的な燃料多段噴射の要求に対しても対応することが可能となる。

図１２は、上記の昇圧用コンデンサのエネルギーを他方のコンデンサへ一時的に退避させる場合のタイミングチャートを示す。昇圧用コンデンサC11及びC12を開弁電流供給理想電圧よりも高い電圧まで昇圧しておき、インジェクタ11を噴射する前に昇圧用コンデンサC11の電圧を、切替回路SW11のオン時間を制御することにより、エネルギー移動用コンデンサC21を介して、昇圧用コンデンサC12へ電気エネルギーを移動させ、開弁電流供給理想電圧に調整する。インジェクタ11の噴射後は、エネルギー移動用コンデンサC22を介して、昇圧用コンデンサC12からC11へエネルギーを移動させることにより、昇圧用コンデンサC11の電圧を従来の回路よりも短い時間で開弁電流供給理想電圧以上に保つことが可能となる。

[実施例５]
図１３は、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例５の回路図を示す。ここでは、エネルギー移動の為のスイッチングを、インジェクタ駆動回路のスイッチングを利用していることに特徴がある。

[実施例６]
図１４は、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例６の回路図を示す。ここでは、昇圧回路が３個ある場合の実施例である。

なお、上記実施例においては、いずれもエネルギーの蓄積素子として、コンデンサを用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、二次電池（蓄電池）を用いてもよい。

1…バッテリ
2…昇圧回路制御ブロック
3…燃料制御演算手段
4…燃料噴射弁駆動回路制御ブロック
11〜14…燃料噴射用インジェクタコイル
101…エンジン
102…ピストン
103…吸気弁
104…排気弁
105…燃料噴射弁
106…点火プラグ
107…点火コイル
108…水温センサ
109…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
110…吸気管
111…排気管
112…三元触媒
113…酸素センサ
114…ＥＧＲ弁
115…コレクタ
116…クランク角度センサ
118…ＥＧＲ通路
119…スロットル弁
120…ＡＦＭ
121…燃焼室
122…アクセル開度センサ
123…燃料タンク
124…低圧燃料ポンプ
125…高圧燃料ポンプ
126…燃料圧力センサ
127…燃料噴射制御装置
C11〜C13…昇圧用コンデンサ
C20〜C23…エネルギー移動用コンデンサ
D11〜D13…昇圧用ダイオード
D21〜D23、D31〜D33、D41、D42、D51、D52、D61、D62…ダイオード
L11〜L13…昇圧用コイル
T11〜T13…昇圧用スイッチング素子
T21〜T22、T31、T33、T41〜T44…ＦＥＴ
R1、R2…電流検出用抵抗
SW01、SW02、SW11〜SW13、SW21〜SW23、SW31、SW32…切替回路

Claims (8)

1. 内燃機関の燃焼室内へ燃料を直接供給するための燃料噴射電磁弁を備えた燃料噴射装置に用いられる制御装置であって、
   前記燃料噴射電磁弁に高電圧を供給する複数の第１エネルギー蓄積素子と、
   バッテリ電圧を昇圧して前記第１エネルギー蓄積素子を充電する昇圧回路と、
   バッテリ電圧の電気エネルギーを蓄積する第２エネルギー蓄積素子と、を備えて、
   前記複数の第１エネルギー蓄積素子間において、前記の第２エネルギー蓄積素子を介して、電気エネルギーを移動する切替回路を備えたことを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記切替回路を操作して前記第２エネルギー蓄積素子の両端子の接続電位を適宜変更することにより、前記複数の第１エネルギー蓄積素子間における前記電気エネルギーの移動を行うことを特徴とする燃料噴射制御装置。
3. 請求項１に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記複数の第１エネルギー蓄積素子の電圧のモニタ手段を備えて、
   次の燃料噴射で使用する第１エネルギー蓄積素子の電圧が燃料噴射に適切な電圧となるように、前記電気エネルギーの移動を制御することを特徴とする燃料噴射制御装置。
4. 請求項３に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記第２エネルギー蓄積素子に直列に接続された抵抗素子を備えて、
   前記切替回路の作動時間を操作して、前記複数の第１エネルギー蓄積素子間における電気エネルギーの移動量を制御することを特徴とする燃料噴射制御装置。
5. 請求項４に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記複数の第１エネルギー蓄積素子中で昇圧に係る素子の前記モニタ手段で監視する電圧が、目標電圧に達する時、前記切替回路の作動状態を変更することを特徴とする燃料噴射制御装置。
6. 請求項４又は５に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記抵抗素子は、前記第２エネルギー蓄積素子の放電時のみ、当該蓄積素子に直列に接続されることを特徴とする燃料噴射制御装置。
7. 請求項１に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記昇圧回路は、複数あることを特徴とする燃料噴射制御装置。
8. 請求項２に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記第１エネルギー蓄積素子から前記燃料噴射電磁弁へ高電圧を供給するための切替回路の下流側に、第２エネルギー蓄積素子の一方を、切替回路を介して接続することを特徴とする燃料噴射制御装置。

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